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子供の頃、来日したカーター大統領を見て、凄い人だなあ、アメリカって凄い国なんだなあ・・・と子供心にも畏敬の念のようなものを感じた。


今、この男を見ても、何も感じない。


引用：depositphotos

このような、恐ろしく思慮の浅いハッタリ番長を二度もトップに据える「老害大国アメリカ」に、世界は一体いつまでしがみ付かないといけないのだろう？

バッテリーの内部抵抗ですが、専用のテスターを使えば（ある程度正確に）測ることが出来ます。
また、車好きならご存じの方も多いCCAテスターも、内部抵抗を測定してCCAに換算しているので、併せて紹介します。


（１）インピーダンス法を採用した一般的なテスター

電池に交流を印加して（≒充放電反応が追いつかないほど速く電流を変化させて）、その時の電圧変化と、電流と電圧の位相のずれを見れば内部抵抗が判ります。

電池の内部抵抗は周波数に対する応答速度がそれぞれ異なるので、周波数を変えながら測定すると全てを把握できますが、一般的には1KHz程度の交流を印加して測定します。
※但し1KHzでは反応抵抗は測定できないので、インピーダンス法は周辺温度の変化によって測定値が変わりやすいと言われている。

交流電流は電池にとっては充電方向と放電方向の電流が入れ替わっているため、この方法で得られる電池の内部抵抗は、充電側の抵抗と放電側の抵抗のそれぞれを含んだ平均値となります。

この方式は直流電源装置から切り離さずに測定ができるので、非常用電源装置などでは、このインピーダンス法を利用したテスターが劣化診断に使われます。


（２）コンダクタンス法を採用したCCAテスター

コンダクタンスは電流の流れやすさ（導電率）を表しますが、直流回路においてはコンダクタンス（G）は抵抗（R）の逆数なので、抵抗を測っているのと同じです。

コンダクタンス法では放電電流を断続的にON/OFF制御して内部抵抗を計測しますが、具体的には、負荷の断続をインピーダンス法よりも低周波（約10ms毎＝交流100Hz相当）で行います。

また、インピーダンス法で大きな電流を流すとなると、大きな電源が必要になりますが、この方法では測定装置内部の負荷抵抗の大きさを変えることで測定電流を制御するため、測定装置を小型化できるという利点があります。

なお、この方式はインピーダンス法と違い、電源装置から切り離さないと測定できません。
※車の場合、エンジン稼働中は電源から電圧が印加されているため、バッテリーではなくオルタからの負荷電流を測定してしまうので、エンジンを停止してから測定する必要がある。


ちなみに、この方式はミドトロニクス社がCCAテスターとして開発し特許も取得しているもので、同社製品ではCCAに換算する際に温度補正なども行うアルゴリズムを採用しているようですが、数千円程度で買える中華製テスターには温度センサーなどは装着されておらず、どうやらこれを簡易にした代物のようです。
※中身が特許に抵触しているかどうかまでは不明。


（３）その他の方式によるCCAテスター

・ダイナミックロードレジスタンス方式

一方で、DHC-DS社のように負荷を断続的に掛けるのではなく、一瞬だけ高負荷を掛けて抵抗を求めるという独自方式（コンダクタンス法の変則バージョン）で特許を取っているメーカーもあります。


・ダブルディファレンシャルパルス方式

日立（現：Astemo）やカイセが出しているCCAテスターは、「ダブルディファレンシャルパルス方式」を採用して、反応抵抗等も含めて測定しているので、より高いレベルでの劣化判定が可能なのだそうです（特許取得済）
※日立製品も製造元はカイセだが、日立のカタログに特許取得済と書かれているので、製造委託と思われる。

詳細は解りませんが、取説にエンジンを停止してから測定するように書かれていることから、これも負荷を掛けて測定するコンダクタンス法の一種（亜種）ですね。


日立のカタログより

画像を見る限り、その名の通り化学反応の前後2回に分けて測定しているのが特徴のようです。
※もっとも、それでどの程度まで正確に劣化判断できるのかは、よく解りませんが。


【おまけ】4端子法について

デジタルテスターで抵抗を測定する場合、内部に定電流源と電圧計とが並列接続されていますが、2端子法ではプローブ（ケーブル）等の抵抗値も含まれてしまうので、僅かな抵抗しか持たない場合、正確に測ることは出来ません。

一方、4端子法は電流と電圧を個別のケーブルで繋ぎますが、電圧計の内部抵抗が極めて高いため、定電流源から出た電流は電圧計のケーブルには殆ど分流しないので、結果としてケーブル等の抵抗値は無視できます。
※定電流源なので、電流ケーブルの抵抗値がいくつであっても既定の電流を流すことができる。

CCAテスターの場合は、定電流源から電流を流す代わりに、抵抗等を組み合わせて負荷電流を流させる回路になっていますが、この場合も理屈は同じで、必ず4端子法と組み合わされています。


廉価な中華製CCAテスターも、ちゃんと4端子ある。

１　バッテリーの内部抵抗の本質

ところで、「放電とは何か？」と聞かれれば、「負荷を繋ぐことで電流（電子の流れ）が生じることだろ」と答えると思いますが、今回はちょっと化学的に考えてみます。

まず最初に、バッテリーが放電すると、正極・負極ともに酸化還元反応により硫酸鉛（PbSO₄）が生成されます。

参考）
【保存版】 誰でも解る！バッテリーの充放電の仕組み（化学反応編）
https://minkara.carview.co.jp/userid/2036415/blog/48284192/

化学反応と熱については、中学の理科で学ぶようですが、化学反応により熱を発するのが発熱反応であり、熱を吸収するのが吸熱反応です。
※例えば、ホッカイロなんかは、この発熱反応を利用している。

バッテリー放電時の化学反応も発熱反応ですが、この場合ホッカイロのように熱エネルギーに変えるのではなく、主に電気エネルギーに変えて取り出していますが、これがバッテリーの放電です。
※化学エネルギー→電気エネルギー（充電の場合は逆）

つまり、バッテリーの内部抵抗（放電時）は、この発熱反応によるエネルギーの内、電気エネルギー以外の熱エネルギーなどに消費してしまったエネルギー損失の事を言います。


２　内部抵抗の具体的な内容

さて、基礎編で書いたように、バッテリー（電池）の内部抵抗には、反応抵抗、拡散抵抗、オーミック抵抗の３つがありますが、言い換えると下記のようになります。

・活性化損失あるいは活性化過電圧
活性化エネルギーによる損失

・拡散損失あるいは濃度過電圧
溶液内のイオンの移動による損失

・電気抵抗損失あるいは抵抗過電圧
極板内などの電荷の移動による損失

これらを、放電時に注目しながら、順番に細かく見ていきます。
※興味のない人は、以下は全て読み飛ばしてください。


（１）活性化損失

水素と酸素が出会っても簡単には燃焼（爆発）しませんが、それは何故かと言うと、ある物質が他の物質へと変化するためには、外部からのエネルギー（熱エネルギーや電気エネルギー等）が必要になるからです。
※化学反応は分子同士が激しく衝突することで起こるが、衝突した際に発生するエネルギーがある一定値を超えた時に初めて反応が起こる。

金属結合にしろイオン結合にしろ電子がかかわっているので、バッテリーの化学反応では、この電子の授受により酸化還元反応が起こりますが、まず最初に原子間の組み換えが起こりやすい状態（活性化状態）にならないと、反応自体が起こりません。

そのために必要なエネルギーが活性化エネルギーであり、それによる損失が活性化損失（活性化過電圧）です。
※触媒を用いると、この活性化エネルギーが下がるので反応速度が上がる（反応が促進される）


ところで、冬よりも夏の方がバッテリーが元気だと言うのは、周辺温度が高いほど活性化エネルギーを持つ物質が増えるために、酸化還元反応が活発になり、取り出せる電力量も増えるからです。

一方で、同じ周辺温度では、放電電流が増えると活性化エネルギーによる損失も増えるので、放電効率は下がります。
※酸化還元反応で発生したエネルギーが、次の反応のための活性化エネルギーにも充てられる事で順次反応を起こしているが、その供給量が一気に増えるため、電気エネルギーとして取り出せる割合が下がる。

従って、放電電流を増やすと、放電容量は5時間率容量で計算したものよりも少なくなります。


（２）拡散損失

実際に放電する場合、反応物質さえあれば活性化エネルギーによる損失だけで済みますが、反応するための物質がなければ、今度はそれを集める必要性が生じます。

バッテリーの電解液は電気的には中性ですが、放電が始まると極板付近で酸化還元反応が起き、極板付近のイオンの濃度が低下します。
そのため、電解液の中で電位差が生じるので、水溶液中のイオンが電位差（濃度差）を埋めるように移動し、極板付近でまた新たな酸化還元反応が起こります。

このように水溶液中のイオンの移動を起こすために消費されるエネルギー損失が、拡散損失（濃度過電圧）です。


放電電流が増えるほど濃度過電圧も大きくなるのは直感的にも解ると思いますが、車で始動用電源として使う場合には、短時間の間に大電流を流す必要があるため、濃度過電圧も大きくなります。
※そのため、放電して比重が低くなったバッテリーでは、エンジンを始動できない。


（３）電気抵抗損失

基本的には、一般の電気抵抗（ターミナルや極板などが持つ電気抵抗＝熱エネルギーによる損失）のことですが、バッテリー特有の現象として、電導パスの減少に伴う抵抗成分の増大があります。

サルフェーションは今や車好きなら誰でも知っている言葉ですが、その元となる硫酸鉛（PbSO₄）は、冒頭にも書いた通り放電による化学反応により生成され、両極板の表面に付着していきます。

硫酸鉛は本来は絶縁体ですが、電子はごく薄い層であればトンネル効果という現象で通過できますが、厚くなると通過できなくなるので、電気の通り道（電導パス）が減っていきます。
つまり、放電が進むほど、電荷の移動に対する抵抗が大きくなるということです。

これらを併せた損失が、電気抵抗損失（抵抗過電圧）です。

バッテリー（電池）の内部抵抗ですが、一般的な抵抗（電気抵抗）とは中身が異なります。


（１）一般的な抵抗と電池の内部抵抗の違い

同じ「抵抗」という言葉から、電池の内部抵抗も電流と電圧さえ判れば、オームの法則で計算できると考える人が多いですが、この内部抵抗を電気工学などの物理的な観点から見ると、
・電池の内部に存在する、電流を流す性能を示す仮想の抵抗
・V=E-rI（Eは起電力、rは内部抵抗）
となります。

一方、化学的な観点から見れば、実在する抵抗（エネルギー損失）であり、具体的には、
・反応抵抗（反応エネルギーによる抵抗）
・拡散抵抗（溶液中のイオンの移動による抵抗）
・オーミック抵抗（金属中の電子の移動による抵抗）
の3種類に分けられます。

まあ仮想でも実在でも、どちらでもいいのですが、電池の内部に存在する抵抗（エネルギー損失）のため、前回も書いた通り、電池にテスターを繋げても流した電流は充電反応に使われるため、内部抵抗だけを取り出してその抵抗値を計測することはできません。
※起電力を12.6Vと仮定すれば、r=(E-V)/Iより放電時の内部抵抗は求められるが、あくまで計算上の（相対的な）抵抗値でしかない。

従って、内部抵抗を完全に把握することはほぼ不可能なのですが、専用のテスターを使えば、ある程度は正確に測ることができます。


（２）内部抵抗と放電曲線

内部抵抗については、一般的に「バッテリーの劣化に伴い、徐々に増えていくもの」だと捉えている人が多いと思います。
※実際、CCAテスターは内部抵抗を測定し新品時と相対比較することで、劣化診断をしている。

一方、放電が進むにつれて電圧（起電力）は下がっていきますが、これも一時的に内部抵抗が増大するためです。
※つまり、内部抵抗は充放電により都度変化するが、バッテリーの劣化に伴い、内部抵抗のベース値も上がっていくということです（人間の血圧みたいな感じ）

で、実際に放電したときの内部抵抗の変化を示しているのが、下に示す放電曲線です。


放電曲線の例（「産業用蓄電池について」note電気うなぎさんの記事より引用）

・放電初期の①では、主に反応抵抗により電圧は急激に下がる。
・安定期の②では、オーミック抵抗と拡散抵抗が徐々に増えていくため、電圧は漸減していく。
・③では、オーミック抵抗と拡散抵抗が急激に増大していくため、電圧は一気に下がり放電終止電圧へと至る。

因みに、バッテリーの充電後電圧を測定する際、整備書に「一旦軽く負荷を掛けて、サーフェイス分を取り除いてから」と書かれているのは、①を取り除くためです。
※①を除かないと、見掛け上の（使えない）電圧を測っていることになるので無意味。

なお、劣化して容量低下したバッテリーは、②を維持できる時間が短くなっている事を意味します。
※そのため、充電器で充電しても、短時間で満充電となるが、実際には殆ど充電できていないという事が起きる。


以上が、バッテリーというか電池の内部抵抗の基本です。

デジタルテスター（マルチメーター）ですが、普段は何気なく測定していると思いますが、原理はどうなっているのでしょうか。


左からオシロスコープ、クランプメーター、デジタルテスター
（いずれもマルチメーターの機能あり）


（１）電圧の測定

アナログテスターは電流計であると言われますが、テスターに流れた電流から（内部抵抗によって）生じる電圧を、電圧計の目盛りにより読み取るという方式です。
※表示しているのは電流だが、表現しているのは電圧ということ。

デジタルテスターは、例えばバッテリーのような直流電圧を測定する場合、プローブ（テストリード）をバッテリーの両端子に当てると、テスターに流れた電流と抵抗値から算出された電圧がダイレクトに表示されます。

なお、この時の入力インピーダンス（内部抵抗）は一般的に10MΩ以上と大きく取られているため、僅かな電流のみがテスターへ流れます。
※測定対象の回路から流れ込む電流が少ないので、測定する回路への影響を最小限にできる。


（２）電流の測定

電流を測定する場合は、電流を測定したい回路に、テスターを直列になるように挿入接続すると、
・テスターの内部の電流測定回路にはシャント抵抗が挿入されていますが、その抵抗の両端で発生する電圧を測定します。
・オームの法則（I=V/R）により、電流値を算出して表示します。
※シャント抵抗は非常に低い抵抗値のため、測定する回路への影響を最小限にできる。

但し、デジタルテスターを使う場合は、一旦どこかで回路をオープンにする必要があるため、現在は安価で買えるようになったクランプメーターを使う人も多いと思います。
※クランプメーターは、見た目から想像できるとおり、測定対象（導線）が発する磁束を測定している（ので、流れる向きも解る）


（３）抵抗の測定

抵抗を測定する場合は、測定対象である抵抗の両端にプローブを当てると、
・テスター内部の定電流源から、測定対象に一定（微量）の電流が流れます。
・プローブにより、測定対象の電圧を測定します。
・オームの法則（R=V/I）により、抵抗値を算出して表示します。
※電流値は測定レンジによって変わるが、多くて1mA程度。


（４）バッテリーの内部抵抗の測定

バッテリーの場合、デジタルテスターで内部抵抗を測定することはできません。
なぜなら、上記のように、テスター内部の定電流源から測定対象に電流を流した際に、その電流が充電に使われてしまうからです。
※一般的な抵抗は電圧降下＝抵抗によるものだが、電池の場合は電圧降下＝充電による消費分+内部抵抗であるため。

また、内部抵抗値が10mA程度と低いため、通常の2端子式のテスターでは、プローブの抵抗分（接触抵抗等を含む）を排除できないせいもあります。